下り線トンネルの門司方の立坑は、511K870M付近に建設した。この付近は軟弱な地盤であったことに加え、使用する設備が後にシールド工法区間に利用できることから、潜函工法（ニューマチックケーソン工法）を採用した。潜函工法は、箱状の構造物（ケーソン）の下部に気密性を持った作業室を設け、ここに空気圧をかけて湧水を防ぎながら掘削して、ケーソンを所定の深さまで沈めていく工法である。深さは約24メートルあり、内部でシールドの発進をできるように考えて内部寸法を10メートル×9メートルの矩形とした。1938年（昭和13年）1月7日に着工し、同年12月6日に竣功した。
下関方立坑は510K271M地点に設置し、海底部の地質が予想以上に悪くて将来シールド工法を採用しなければならなくなった場合に備えて、シールドマシンの部品を通せる寸法を考えて、内径を7メートルとした。地表面から約15メートルまでは花崗岩の風化帯、それ以下は硬質な花崗岩であった。湧水により作業を妨げられないように、あらかじめ100ミリメートル径の水抜き坑をボーリングしておき、これを試掘坑道立坑から建設した横穴に連絡させて水を抜くようにした。1937年（昭和12年）11月に地上部のエレベーター設備から準備を開始し、12月1日から掘削を開始し、翌1938年（昭和13年）2月28日に縦坑底部まで到達した。竣工は5月31日である。
試掘坑道が全体の5分の1程度までしか掘削が進んでいない時点で、本トンネルの掘削にも着手することになった。海底トンネルという特殊な環境下での工事で、慎重な推進を求める意見も国鉄内部にはあったが、戦時下でもあり軍部から工事促進への圧力もかかっているという事情があった。
この当時計測されたトンネル内の湧水量に加えて、トンネル外の雨量が1時間に30ミリメートルの時に、ポンプ所に到達する水の量は下関側2.46個（1秒間に2.46立方尺＝約68.5リットル）、門司側0.17個（1秒間に0.17立方尺＝約4.7リットル）となり、試掘坑道が満水になって上り本線の軌条面まで水が達し、より高い位置にある下関側の最後のポンプが浸水して運転不能になるまで17時間かかる計算とされた
こうしたこともあり、第二次世界大戦後も引き続き試掘坑道の修築工事が行われ、二次覆工の施工、不要な待避所の埋戻し、覆工裏側への豆砂利・セメント・火山灰などの注入作業が実施された

作業員気閘は作業員を通過させるための気閘で、40人を収容できるものとして長さ7,800ミリメートル、内径1,780ミリメートルのものを設置した
非常気閘は、坑内の噴発や火災の事故に備えて作業員の避難用としたもので、長さ8,800ミリメートル、内径1,780ミリメートルあり、事故に備えて常時坑内側に扉を開けた状態にしてあった
また非常気閘の坑外側は2,070ミリメートルの位置で区切って扉を設けてあり、少人数の出入り用の職員気閘としても使えるようにしてあった

関門海峡の潮流は速く、海底に漂砂があるとは考えられなかったが、念のために西村深海研究所所有の西村式潜水艇を用いて海底の調査を実施した。西村式潜水艇は、下関市出身で当時は東京で水産業を営んでいた西村一松が開発したもので、全長10メートル弱、幅2メートル、21トンあり、魚類や水棲植物の観察を目的としたものであった。この潜水艇を借り受けて海底の調査を行うことにし、真鶴半島から17日かけて母船の第六松丸に曳航されて関門海峡へ到着した。潜水艇は、操縦士の他には2人が乗れるだけの大きさで、3,000ワットの電灯で照らされる海中を小さなガラス窓から観察した。海流がある時は潜航できないため、調査は転流時の30分ほどに限られた。1937年（昭和12年）1月15日から2月2日までかけて潜水艇による海底調査を実施し、事前の予想通り漂砂はないことが判明した。
大小の入り江、大小の磯、高さ約50mの断崖絶壁など、波による浸食で形成された地形が続く（海食崖）。亀ノ尾層（珪藻質砂岩、珪藻質砂質頁岩）、多賀層群などの地層が見られる。崖の上にはクロマツが生えている。南から「小五浦」「大五浦」「椿磯」「中磯」「端磯」の五つの浦（磯）を称して五浦という。陸前浜街道（国道6号）を日立から勿来関（奥州三古関の1つ）跡に行く道程の途上にある。日本の渚百選。日本の音風景100選。茨城百景。日本の白砂青松100選。日本の地質百選。26歳で帝国博物館（現東京国立博物館）理事・美術部長、27歳で東京美術学校（現東京芸術大学）の校長となった岡倉天心は、1898年に日本美術院を設立、1906年この地に移した。横山大観、下村観山、菱田春草、木村武山などが学び、日本画の創作活動をした。この活動を記念して茨城県天心記念五浦美術館、茨城大学五浦美術文化研究所などが設置された。また、岡倉天心ゆかりの六角堂観瀾亭が残されていたが、2011年3月11日の東北地方太平洋沖地震による津波で消失した。翌2012年（平成24年）4月17日に、創建当時の設計で再建された。